红外与可见光双模导引头光学系统设计

吕 阳，辛宏伟，康玉思，贺玉坤，陈长征

红外与可见光双模导引头光学系统设计

吕 阳1,2，辛宏伟1，康玉思1，贺玉坤1,2，陈长征1

（1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2. 中国科学院大学，北京 100049）

为了提升导弹在复杂环境下的寻的制导能力，设计了一种红外与可见光双模式导引头光学系统。该方案中采用分光镜透射红外光反射可见光，使结构布局更加紧凑，实现红外与可见光共口径，同时配合红外材料选取，实现光学被动消热差设计。中红外模式视场角3°×2.3°，可见光模式视场角5°×4°，工作温度20℃条件下，双模式在截止频率处，MTF（Modulation Transfer Function）值均大于0.4。红外与可见光双模式光学系统适合应用于复杂环境的导弹制导，对温度有良好的适应性，具有较好的成像质量，满足系统的性能要求。

光学系统；可见光；长波红外；消热差

0 引言

国际间纷争摩擦不断，武器装备是国防的重中之重，各种光学镜头、武器导引头作为各种大型装备的“眼睛”更是不容忽视，其主要作用是完成对目标的探测、识别、跟踪等功能。导引头采用的制导方式主要包括：半主动雷达制导、红外成像制导[1]、电视探测制导等[2]。但随着战场环境越来越复杂，对抗形式的升级，单一的制导模式已经无法满足使用要求。红外与可见光双模制导，可以充分发挥各个子模式的优势，且提高复合抗干扰能力。光具有波粒二象性，可见光的波长较短，主要表现出粒子性，所以可见光分辨率较高，有利于制导精度的提升，在光线充足，天气较好时可以发挥其优势；红外光主要表现为波动性，所以其穿透性较强，有利于在夜间和能见度较低的天气下工作[3]。

本文以某导弹红外与可见光双模式导引头为研究对象，采取光学被动无热化，设计并优化光学系统，并使用MTF曲线、点列图、畸变图进行像质评价。

1 总体方案

红外与可见光系统采用共口径光学系统，其能够避免纯反射式系统视场小的问题，同时具有结构紧凑等优点[4]。光学系统如图1所示，包括红外光学系统和可见光光学系统两部分。共8片透镜，1片分光镜以及1片反射镜，其中反射镜材料为微晶玻璃，表面镀全波段反射膜，分光镜材料为硫化锌，表面镀分光膜，反射可见光，透射长波红外。光学系统与结构几何尺寸为230mm×110mm×150mm，具体参数如表1、表2所示。

图1 导引头双模式光学系统

表1 红外光学系统参数

表2 可见光光学系统参数

2 光学系统设计

2.1 红外光学系统设计

由于红外透镜材料的温度折射率系数较大，对温度较敏感[5]，且导引头工作温度范围较大，会造成透镜尺寸、折射率以及透镜间隔的变化，所以需要对系统进行无热化处理。常用的无热化处理方法有3种：被动机械式无热化、主动机电式无热化和被动光学无热化[6]，由于前两种方法会使结构变得复杂，本红外光学系统采用被动光学无热化设计，在－45℃～＋55℃温度范围内保证成像质量。红外探测器选用15mm，320×240焦平面非制冷型探测器，工作波段为8～12mm长波红外，并要求装调后MTF大于0.32。

红外系统主镜材料为锗，次镜材料为单晶硅，其余红外镜片为硫化锌，其主要优点是这些材料有较高的透射率以及成熟的制造工艺。为避免热胀冷缩作用对系统产生较大影响，镜筒材料选用膨胀系数较低的殷钢材料。利用Code V软件进行设计优化后，红外光学系统如图2所示。

图2 优化后的红外光学系统

2.1.1 红外系统像质评价

红外光学系统设计优化后在－45℃、＋20℃、＋55℃的调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）如图3所示。从图中可以看出，在－45℃、＋20℃、＋55℃温度下，均具有较高的传递函数，且相对于＋20℃的MTF曲线，在－45℃和＋55℃温度下的MTF曲线无明显变化，说明系统具有良好的温度适应性，满足温度要求。在截止频率35cycle/mm处，各个视场的MTF值均在0.4以上，接近衍射极限，具备良好的成像质量，满足总体所提成像要求。

＋20℃温度时，各视场的点列图如图4所示，点列图中点的分布可以近似地代表像点的能量分布，利用这些点的密集程度能够衡量光学系统成像质量的好坏[7]。从图中可知，最大RMS（Root Mean Square）弥散斑直径小于探测器的像元尺寸15mm，各视场范围内光斑尺寸基本一致，全视场内光斑分布均匀，表明此光学系统可以很好地聚焦成像。

图4 +20℃红外系统点列图

2.1.2 公差分析

导引头红外系统处理器公差主要考虑技术指标以及加工能力，本红外系统选择在35cycles/mm空间频率处，以允许下降量为准则制定光学系统误差，红外光学系统公差分析如图5所示。

图5 红外光学系统公差分析图

由图5公差分析图可知，在截止频率处，均有超过90%的概率装调至MTF值大于0.38，满足设计要求。

2.2 可见光光学系统设计

可见光系统探测器选用像元尺寸6.8mm，1280×1024类型的焦平面探测器，工作波段为480～680nm。要求5km高度观察幅宽435m×350m，可分辨40cm；1km高度观察幅宽87m×67m，可分辨10cm；100m高度观察幅宽4.5m×3.4m，可分辨5cm。透镜材料选用k9玻璃，可见光光学系统如图6所示。

图6 可见光光学系统

2.2.1 可见光系统像质评价

可见光光学系统设计优化后，在－20℃、＋20℃、＋40℃的调制传递函数如图7所示。从图可知，在＋20℃、＋40℃温度下，在截止频率70cycle/mm处，MTF值均大于0.4，在－20℃温度下，截止频率略低，为0.2左右。综上所知，相对于高温，可见光系统对低温更敏感，但满足成像要求。

图7 可见光系统不同温度下的传递函数曲线

2.2.2 畸变曲线

图8的畸变曲线表明，在全视场范围内畸变小于3%，满足总体所提的设计要求。

图8 可见光系统在20℃下的畸变曲线

3 结论

设计了一种满足技术要求的红外与可见光双模式导引头光学系统，分别对两个子系统分别进行温度适应性分析。红外模式采用被动光学无热化技术，具有良好的温度适应性。红外模式和可见光模式在工作温度范围内都满足成像要求。分光镜实现了分光效果，使整体结构更加小巧、紧凑，可为弹体保留更多空间。此外，该系统中所用材料均为常用材料，加工工艺成熟，便于装调，具有一定的参考价值。

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Infrared and Visible Light Dual-Mode Seeker Optical System Design

LYU Yang1,2，XIN Hongwei1，KANG Yusi1，HE Yukun1,2，CHEN Changzheng1

(1. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

A folding anti-infrared and visible-light double-pattern optical guidance system was designed to improve the guidance of a missile in complex environments. In this scheme, the system layout for infrared and visible light is produced by spectroscopic optical visible light reflection, realizing dual-mode infrared and visible light, and optical passive heat reduction is implemented. In the mid-infrared mode, the field of view of the infrared mode is 3°×2.3°, the angle of view of the visible light mode is 5°×4°, the working temperature is 20℃, and the dual mode MTF is greater than 0.4 in the cup-frequency. Infrared and visible-light dual-mode optical systems are suitable for missile guidance in complex environments, have good adaptability to temperature, and have good imaging quality and performance.

optical systems, visible light, medium wave infrared, heat separation

TN214

A

1001-8891(2024)01-0026-04

2022-01-06；

2022-03-18.

吕阳（1995-），男，硕士研究生，主要从事空天载荷光机结构设计及仿真分析。E-mail: lvyangchn@163.com。

辛宏伟（1970-），男，博士，研究员，主要从事空间相机等光机结构反面研究。E-mail: xinhongweiciomp@163.com。